BIOKIM (GLIKOLISIS)

GALAKTOSA SANGAT TOKSIK JIKA TIDAK ADA TRANSFERASE

Ketiadaan galaktosa 1- fosfat uridil transferase menyebabkan galaktosemia, penyakit berat yang diturunkan sebagai sifat resesif autosomal. Metabolisme galaktosa pada orang yang mempunyai penyakit ini dihambat pada galaktosa 1-3 fosfat. Bayi dengan penyakit ini tak dapat tumbuh cepat. Muntah atau diare terjadi bila susu dikonsusmsi, dan pembeasaran hati dan penyakit kuning umumnya menyertai penyakit ini. Lebih lanjut, banyak pasien galaktosemia mengalami retardasi mental. Kadar galaktosa darah sangat tinggi., dan galaktosa ditemukan dalam urin. Ketiadaan transeferase ini dalam sel darah merah merupakan criteria diagnostic definitif.

Galaktosemia diobati dengan pengeluaran galaktosa dari makanan. Makanan bebas galaktosa menyebabkan regresi hamper semua gejala klinik secara mencolok, kecuali mretardasi mental., yang mungkin tidak reversible. Masukan galaktosa terus menerus dapat menyebabkan kematian pada beberapa pasien. Kerusakan pada galaktosemia lebih disebabkan oleh akumulasi zat – zat toksik, daripada oleh ketiadaan senyawa yang esensial. Pasien mampu mensintesis UDP – galaktosa dari UDP –galaktosa karena efektifitas epimerasenya normal. Salah satu zat toksik adalah galaktiol, yang dibentuk oleh reduksi galaktosa. Adanya aldosa reduktase pada lensa mata menyebabkan galaktiol menumpuk disana, yang menyebabkan pemasukan air dan pembentukan katarak.

FOSFOFRUKTOKINASE ADALAH ENZIM KUNCI PADA PENGONTROLAN GLIKOLISIS

Jalur glikolisis mempunyai peran ganda: degradasi glukosa menghasilkan ATP, dan menyediakan unit penyusun untuk reksi – reaksi sintesis, seperti pembentukan asam lemak rantai – panjang. Kecepatan konversi glukosa menjadi piruvat diatur agar memenuhi dua keperluan sel yang utama ini. Pada jalur – jalur metabolisme, enzim yang mengkatalisis reaksi – reaksi yang pada hakekatnya adalah ireversibel merupakan situs pengontrol yang potensial. Pada glikolisis, reaksi – reaksi yang dikatalisis oleh heksokinase, fosfofruktokinase dan piruvat kinase sebenarnya adalah ireversibel; karenanya diharapkan enzim – enzim ini mempunyai peran pengaturan maupun peran katalitik. Ternyata, masing – masing bertindak sebagai situs pengontrol. Aktivitasnya diatur oleh pengikatan reversible efektor – efektor alosterik atau oleh modifikasi kovalen.  Juga, jumlah enzim – enzim kunci ini bervariasi menurut kontrol transkripsi sesuai keperluan metabolism yang berubah. Pengontrolan alosterik yang reversible, pengaturan melalui fosforilasi dan pengonrolan transkripsi secara khas terjadi dalam waktu berturut – turut milidetik, detik dan jam.

Fosfofruktokinase adalah elemen pengontrol paling penting pada jalur glikolisis mamalia. Enzim dari hati ini (tetramen 340-kd) dihambat oleh kadar ATP yang tinggi, yang menurunkan afinitasnya terhadap fruktosa 6-fosfat. Konsentrasi ATP yang tinggi mengubah kurva peningkatan fruktosa 6-fosfat yang berbentuk hiperbol menjadi bentuk sigmoid, efek alosterik ini diperoleh dengan pengikatan ATP pada situs pengatur spesifik yang berbeda dari situs katalitik. Efek hambatan enzim ini oleh ATP ditiadakan oleh AMP, dan dengan demikian aktivitas enzim meningkat bila rasio ATP/ AMP menurun. Dengan kata lain glikolisis dirangsang kalau muatan energy menurun. Pengontrol kedua mulai berfugsi bila pH turun cukup besar. Inhibisi fosfofruktokinase oleh H⁺ mencegah pembentukan laktat berlebihan dan penurunan pH darah yang tiba – tiba (asidosis).

Glikolisis juga menyediakan rangka karbon untuk biosintesis, dan demikian fosfofruktokinase jug harus diatur oleh sinyal yang menunjukkan apakah unit – unit penyusun berlimpah atau langka. Memang, fosfofruktokinase dihambat oleh sitrat, zat antara awal pada daur asam sitrat. Kadar sitrat yang tinggi berarti bahwa zat mula untuk biosintesis berlimpah dan dengan demikian glukosa tidak didegradasi lebih lanjut untuk tujuan ini. Sitrat menghambat fosfofruktokinase dengan mempertinggi efek penghambatan oleh ATP.

Pengatur baru glikolisis ditemukan pada 1980 oleh Henri – Gery Hers dan Emile Van Schaftingen. Mereka menemukan bahwa fruktosa 2,6-bisfosfat, metabolit yang sebelumnya tidak dikenal, adalah activator fosfofruktokinase yang poten. Fruktosa 2,6-bisfosfat (F-2, 6-BP) megaktifkan fosfofruktokinase dalam hati dengan cara meningkatkan afinitasnya terhadap fruktosa 6-fosfat dan mengurangi efek penghambatan ATP. Pada pokoknya, F-2, 6-BP adalah activator alosterik yang menggeser keseimbangan konformasi enzim tetramer ini dari status T menjadi status R.

SINTESIS DAN DEGRADASI FRUKTOSA 2, 6-BISFOSFAT DIATUR OLEH SUATU ENZIM REGULATOR YANG BIFUNGSIONAL

Fruktosa 2,6-bisfosfat dibentuk dengan fosforilasi fruktosa 6-fosfat pada reaksi yang dikatalisis oleh fosfofruktokinase 2 (PFK2), enzim yang berbeda dari fosfofruktokinase (PFK). F-2, 6-BP dihidrolisis menjadi fruktosa 6-fosfat oleh suatu fosfatase spesifik, fruktosa bisfosfatase 2 (FBPase2). Penemuan yang mencolok adalah bahwa PFK2 dan FBPase2 keduanya terdapat pada satu rantai polipeptida 55-kd. Enzim bifungsi ini mengandung daerah pengaturan N-terminal, diikuti oleh daerah kinase dan daerah fosfatase. Yang menarik untuk dicatat adalah bahwa  PFK2 menyerupai fosfofruktokinase, sedangkan FBPase2 menyerupai fosfogliserat mutase. Enzim bifungsi ini mungkin timbul melalui perpaduan gen yang mengandung sandi untuk daerah – daerah kinase dan fosfotase.

Fruktosa 6-fosfat mempercepat sintesis F-2, 6-BP dan menghambat hidrolisisnya. Karenanya, berlimpahnya fruktosa 6-fosfat menyebabkan konsentrasi F-2, 6-BP lebih tinggi yang kemudian merangsang fosfofruktokinase. Proses demikian disebut perangsangan umpan balik positif. Disamping itu aktifitas PFK2 dan FBPase2 secara timbal – balik dikontrol oleh fosforilasi satu residu serin. Bila glukosa kurang, peningkatan kadar hormon glukagon dalam darah memicu kaskade AMP siklik yang menyebabkan fosforilasi enzim bifungsi ini. Modifikasi kovalen ini mengaktifkan FBPase2 dan menghambat PFK2 yang menurunkan  kadar F-2, 6-BP. Sebaliknya, bila glukosa berlimpah, enzim melepaskan gugus fosfatnya yang menyebabkanpeningkatan kadar F-2, 6-BP dan akibatnya mempercepat glikolisis. Pengontrolan yang terkoordinasi ini dipermudah dengan terdapatnya daerah – daerah kinase dan fosfatase pada rantai polipeptida yang sama sebagai daerah pengaturan. Kita akan kembali pada pengaturan yang sangat bagus ini bila kita membahas integrasi metabolism karbohidrat.

HEKSOKINASE DAN PIRUVAT KINASE JUGA MENENTUKAN KECEPATAN GLIKOLISIS

Heksokinase, enzim yang mengkatalisis langkah pertama glikolisis, dihambat oleh glukosa 6-fosfat. Bila fosfofruktokinase inaktif, konsentrasi fruktosa 6-fosfat meningkat. Kadar glukosa 6-fosfat meningkat pula karena berada dalam keseimbangan dengan fruktosa 6-fosfat. Jadi, inhibisi fosfofruktokinase menyebabkan inhibisi heksokinase. Akan tetapi, hati mempunyai glukokinase, suatu enzim spesifik yang bentuknya sama dengan heksokinase tetapi tidak dihambat oleh glukosa 6-fosfat. Glukokinase memfosforilasi glukosa hanya bila glukosa berlimpah karena mempunyai k_M terhadap glukosa jauh lebih tinggi daripada heksokinase (5mM, dibandingkan dengan 0,1 mM). peran glikokinase adalah menyediakan glukosa 6-fosfat untuk sintesis glikogen, bentuk simpanan glukosa. k_M glukokinase yang tinggi dalam hati menyebabkan glukosa lebih diutamakan untuk otak dan otot bila persediaannya terbatas.

Kenapa fosfofruktokinase lebih berperan dalam menentukan kecepatan glikolisis daripada heksokinase? Alasan menjadi jelas bila diperhatikan bahwa  glukosa 6-fosfat bukan semata – mata zat antara glikolisis. Glukosa 6-fosfat dapat juga dikonversi menjadi glikogen atau dapat dioksidasi melalui jalur pentosa fosfat untuk membentuk NADPH. Reaksi  ireversibel pertama yang unik pada jalur glikolisis, disebut langkah penentu, adalah fosforilasi fruktosa 6-fosfat menjadi fruktosa 1,6-bisfosfat. Jadi, sangat tepat fosfofruktokinase menjadi situs pengontrol utama pada glikolisis. Pada umumnya, enzim yang mengkatalisis langkah penentu pada rangkaian metabolisme adalah elemen pengontrol yang paling penting pada jalur itu.

Piruvat kinase, enzim yang mengkatalisis langkah ireversibel ketiga pada glikolisis, pengontrol aliran keluar dari jalur ini. Langkah akhir ibni menghasilkan ATP dan piruvat, zat antara metabolism yang utama yang dapat dioksidasi lebih lanjut atau digunakan sebagai unit penyusun. Beberapa bentuk piruvat kinase (tetramer dengan sub unit 57-kd) yang disandikan oleh gen yang berbeda – beda terdapat pada mamalia: tipe L terutama dalam hati, dean tipe M dalam otot dan otak. Variasi dalam tema umum ini, disebut isoenzim atau isozim, pada dasarnya mempunyai rancangan arsitektur dan mekanisme katalitik yang sama tetapi berbeda dalam cara pengaturannya. Bentuk L dan M keduanya mengikat fosfoenolpiruvat secara kooperatif. 1,6- bisfosfat, hasil langkah ireversibel terdahulu dalam glikolisis, mengaktifkan piruvat kinase untuk memungkunkan penyesuaian kepada aliran zat antara yang deras. ATP secara alosterik menginhibisi piruvat kinase untuk memperlambat glikolisis bila muatan energi tinggi.

Alanin (yang disintesis dalam satu langkah dari piruvat) juga secara alosterik menghambat piruvat kinase, dalam hal ini menjadi sinyal bahwa unit – unit penyusun berlimpah. Sifat katalitik bentuk L  tetapi bukan bentuk M  juga dikontrol melalui fosforilasi yang reversible. Bila kadar glukosa darah menurun, glucagon memicu kaskade AMP siklik yang menyebabkan fosforilasi piruvat kinase, yang mengurangi aktivitasnya. Peningkatan kadar kalsium sitosol yang diinduksi oleh hormon – hormon seperti vasopresin juga menyebabkan fosforilasi dan inhibisi piruvat kinase. Fosforilasi – fosforilasi yang dipicu oleh hormone ini, seperti enzim bifungsi yang mengontrol kadar fruktosa 2,6-bisfosfat, mencegah hati dari pemakaian glukosa bila lebih diperlukan oleh otak dan otot. Kita melihat disini contoh yang jelas bagaimana isozim – isozi  turut menambahkan keanekaragaman metabolisme organ – organ yang berbeda.

BERBAGAI NASIB PIRUVAT: ETANOL, LAKTAT, ATAU ASETIL KOENZIM A

Urutan reaksi – reaksi dari glukosa sampai piruvat sama pada semua organisme dan pada semua macam sel. Sangat berbeda dengan nasib piruvat yang bervariasi. Tiga reaksi piruvat yang paling penting adalah:

1.      Etanol dibentuk dari piruvat pada ragi dan beberapa mikroorganisme lainnya.

Langkah pertama adalah dekarboksilasi piruvat.

Piruvat + H⁺  asetaldehida + CO₂

Reaksi ini dikatalisis oleh piruvat dekarboksilase. Tiamin pirofosfat, koenzim di sini juga turut pada reksi yang dikatalisis oleh berbagai dekarboksilase dan enzim lainnya.

Langkah kedua adalah reduksi asetaldehid menjadi etanol oleh alkohol dehidrogenase.

Asetaldehida + NADH + H⁺  etanol + NAD⁺

Situs aktif alkohol dehidrogenase mengandung ion seng yang dikoordinasikan dengan atom – atom sulfur dua residu sistein dan atom nitrogen histidin.

Konversi glukosa menjadi etanol disebut fermentasi alkohol. Hasil bersih proses anaerob ini adalah

Glukosa + 2P_i + 2ADP + 2H⁺  2 etanol + 2CO₂ + 2ATP + 2H₂O

Hal penting untuk diperlihatkan adalah bahwa NAD⁺  dan NADH untuk muncul pada persamaan ini, meskipun sangat penting untuk reaksi keseluruhan. NAD⁺  yang dihasilkan pada reduksi asetaldehida menjadi etanol dipakai pada oksidasi gliseraldehida 3 – fosfat. Jadi, secara keseluruhan tidak terdapat oksidasi – reduksi pada konversi glukosa menjadi etanol.

2.      Laktat biasanya dibentuk dari piruvat pada berbagai mikroorganisme. Reaksi ini juga terjadi pada sel – sel organisme tingkat lebih tinggi bila jumlah oksigen terbatas, seperti pada otot pada waktu aktivitas berat. Reduksi piruvat oleh NADH membentuk laktat dikatalis oleh laktat dehidrogenase.

Reaksi keseluruhan pada konversi glukosa menjadi laktat adalah

Glukosa + 2P_i + 2ADP  2laktat + 2ATP + 2H₂O

Seperti pada fermentasi alkohol, secara keseluruhan tidak terdapat oksidasi – reduksi. NADH yang terbentuk pada oksidasi gliseraldehida 3 – fosfat dipakai pada reduksi piruvat. Pembentukan kembali NAD⁺  pada reduksi piruvat menjadi laktat atau etanol menyokong kelangsungan glikolisis pada keadaan anaerob. Jika NAD⁺ tidak dibentuk kembali, glikolisis tidak akan berlangsung melewati gliseraldehida 3 – fosfat, yang berarti bahwa tidak akan ada ATP dibentuk. Sebenarnya pembentukan laktat oleh organisme aerob meamakan waktu.

3.      Hanya sebagian kecil energi dari glukosa dilepaskan pada konversi anaerobnya menjadi laktat (atau etanol). Jauh lebih banyak energi dapat diekstraksi secara aerob melalui daur asam sitrat dan rantai transpor elektron. Bahkan yang masuk pada jalur oksidatif ini adalah asetil koenzim A (asetil KoA), yang dibentuk pada bagian dalam mitokondria melalui dekarboksilasi oksidasi piruvat.

Piruvat + NAD⁺ + KoA  asetil KoA + CO₂ + NADH

Reaksi ini, yang dikatalisis oleh kompleks piruvat dehidrogenase , akan dibicarakan secara rinci pada bab berikut. NAD⁺ yang diperlukan untuk raksi ini dan untuk oksidasi gliseraldehid 3 – fosfat dihasilkan kembali bila NADH akhirnya mentransfer elektronnya ke O₂ melaui rantai transpor elektron di dalam mitokondria.

SITUS PENGIKAT UNTUK NAD⁺ SANGAT MIRIP PADA BANYAK DEHIDROGENASE

Laktat dehidrogenase dari otot rangka, tetramer 140 – kd, dan alkohol dehidrogenase, dimer 84-kd, mempunyai struktur tiga dimensi yang sungguh berbeda. Akan tetapi daerah – daerah pengikat - NAD⁺ nya sangat mirip. Bagian pengikat nukleotida ini tersusun dari empat heliks α danlembaran enam untai β yang paralel. Konformasi NAD⁺  yang terikat pada laktat dehidrogenase dan pada alkohol dehidrogenase juga hampir sama. Bagian adenin NAD⁺  terikat pada celah hidrofob. Sangat berbeda, unit nikotinamid diikat sedemikian rupa sehingga sisi reaktif cincin berada dalam lingkungan polar, sedangkan sisi lainnya berhubungan dengan residu – residu hidrofob enzim. NAD⁺ yang terikat mempunyai konformasi yang memanjang. Struktur – struktur tiga – dimensi dua enzim lain yang juga memerlukan - NAD⁺  - gliseraldehid 3 – fosfat dehidrogenase dan malat dehidrogenase (enzim daur asam sitrat)- juga sudah dikenal pada resolusi tinggi. Daerah – daerah pengikat - NAD⁺ nya sangat mirip dengan dari yang dari laktat dehidrogenase dan alkohol dehidrogenase. Keasaman bagian pengikat - NAD⁺ pada keempat enzim ini merupakan motif struktur fundamental pada dehidrogenase terrkait - NAD⁺ .

PENYESUAIAN ENZIM HEKSOKINASE TEREDUKSI:

GLUKOSA MENUTUP CELAH SITUS – AKTIF

Penyelidikan kristalografi sinar –X heksokinase ragi mengungkapkan bahwa pengikatan glukosa  menyebabkan perubahan besar konformasi enzim. Heksokinase terdiri dari dua cuping, yang menyatu bila glukosa diikat. Glukosa menyebabkan rotasi satu cuping 12 derajat terhadap yang lain, yang menghasilkan pergerakan tulang – punggung polipeptida sebanyak 8 Å. Celah antara cuping menutup, dan glukosa yang terikat menjadi terkelilingi oleh protein, kecuali gugus 6- hidroksimetilnya.

Penutupan celah pada heksokinase adalah contoh yang mencolok peran penyesuaian terinduksi pada kegiatan enzim, seperti diusulkan semula oleh Koshland. Perubahan struktur yang diinduksi oleh glukosa mungkin berlangsung melalui dua jalur penting. Pertama lingkungan sekitar glukosa menjadi lebih nonpolar, yang mendorong pembebasan gugus fosforil terminal ATP. Kedua, perangkulan glukosa oleh heksokinase memungkinkan enzim membedakan H₂O dari glukosa sebagai substrat. Jika heksokinase kaku, molekul air yang menempati situs pengikat –CH₂OH pada glukosa akan menyerang gugus γ-fosforil ATP. Dengan kata lain, kinase yang kaku, harus merupakan suatu ATPase, sekaligus juga suatu kinase. Aktivitas ATPase yang tidak diinginkan dicegah dengan membuat heksokinase secara enzimatik aktif hanya bila glukosa menutup celah. Yang menarik untuk dicatat adalah bahwa piruvat kinase, fosfogliserat kinase, dan fosfofrukto kinase juga mebngandung celah – celah antara cuping – cuping yang menutup bila substrat diikat. Penutupan celah yang terinduksi oleh substrat mungkin merupakan ciri umum enzim – enzim kinase.

ALDOLASE MEMBENTUK BASA SCHIFF DENGAN DIHIDROKSIASETON FOSFAT

Mari kita meninjau mekanisme katalitik aldolase. Untuk memudahkan kita akan memeriksa kondensasi dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehid 3 – fosfat membentuk fruktosa 1,6- bifosfat, kebalikan reaksi glikolisis. Pertama dihidroksiaseton fosfat membentuk basa schiff yang bermuatan positif dengan residu lisin spesifik pada situs aktif aldolase binatang.

Pada reaksi ini , suatu nukleofil (gugus amino) menyerang gugus karbonil membentuk zat antara tetrahedral, yang kemudian mengalami dehidrasi. Basa schiff bermuatan positif yang dihasilkan memainkan peranan penting dalam katalisis. Senyawa ini memperlancar pembentukan pembentukan anion enolat dihidroksiaseton fosfat dengan bertindak sebagai penampung elektron (akseptor elektron yang poten).

Anion enolat kemudian ditambahkan pada gugus aldehida gliseraldehida 3 – fosfat membentuk basa schiff bermuatan positif dari fruktosa 1,6-bifosfat.

Basa schiff mengalami deprotonasi dan hidrolisus menghasikan fruktosa 1-6-bifosfat dan enzim kembali terbentuk.

Pemecahan fruktosa 1-6-bifosfat adalah sederhana sekali, yaitu kebalikan jalur pembentukannya.

KESEMPURNAAN KINETIK KATALIS: KEGIATAN TRIOSA FOSFAT ISOMERASE

Banyak diketahui tentang mekanisme katalisis triosafosfat isomerase (TIM), suatu enzim yang sangat menarik. TIM mengkatalisis transfer atom hidrogen dari C-1 ke C-2 pada konversi dihidroksiaseton fosfat menjadi gliseraldehida 3 – fosfat, suatu oksidasi reduksi intramolekul. Isomerisasi ketosa menjadi aldosa ini berlangsung melalui zat antara enediol. Bila reaksi dilakukan dalam D₂O, deuterium terdapat pada C-2. Penemuan ini menyingkirkan pemikiran bahwa transfer langsung ion hidrida (:H) dari C-1 ke C-2. Langkah pertama adalah pengeluaran proton dari C-1 dengan menggunakan suatu gugus basa pada protein, membentuk enediol. Penyelidikan – penyelidikan reaksi kebalikan yang berlabelkan isotop memberikan petunjuk penting lainnya. Sejumlah tritium yang terikat pada C-2 gliseraldehida 3 – fosfat, sedangkan sisanya bertukar dengan proton – proton air. Penemuan ini mengungkapkan bahwa penarikan dan pemberian proton diperantarai oleh basa katalitik yang sama.

Penyelidikan – penyelidikan kristalografi sinar – X  kemudian  memperlihatkan bahwa glutamat 165 memainkan peranan ini. Akan tetapi, gugus karboksilat sendiri tidak cukup alkalis untuk menarik proton dari atom karbon yang berdekatan dengan gugus karbonil. Histidin 95 membantu katalisis dengan memberikan proton kepada C-2 gugus karbonil. Gugus fosfat substrat ditahan ditempat oleh jembatan garam dengan lisin 12 dan ikatan hidrogen dengan dua rantai – utama gugus NH.

Dua segi lain tentang isomerase ini patut diperhatikan. Pertama, TIM memperlihatkan kemampuan katalitik yang besar. Enzim ini mempercepat isomerisasi dengan faktor 10¹⁰  dibandingkan dengan yang didapatkan dengan katalis sederhana seperti ion asetat. Rasio k_kat/ K_M untuk isomerisasi gliseraldehida 3 – fosfat adalah 2 x 10⁸ M^-1 det^-1, yang mendekati batas difusi – terkontrol. Dengan kata lain langkah yang menentukan kecepatan katalisis adalah pengikatan substrat dan enzim yang dikontrol oleh difusi TIM adalah contoh enzim dengan kinetik sempurna. Kedua, TIM menekan reaksi sampingan yang tak diinginkan, dekomposisi zat antara enediol menjadi metilglioksal dan Pi. Dalam larutan, reaksi tidak menguntungkan ini 100 kali lebih cepat dari isomerisasi. Karenanya TIM harus mencegah enediol terpisah dari enzim. Zat antara labil ini tersimpan pada situs aktif karena gerakan suatu gelung yang terdiri dari 10 residu. Penutup ini mengunci situs aktif bila ada enediol, dan kembali membuka bila isomerisasi sudah lengkap. Kita melihat disini contoh yang mencolok pengaturan katalisis oleh terinduksi penyesuaian.

TIOSTER DIBENTUK PADA OKSIDASI GLISERALDEHIDA 3-FOSFAT

Gliseraldehid 3 – fosfat dehidrogenase mengkatalisis fosforilasi oksidatif substrat aldehidnya.

Gliseraldehid 3 – fosfat + Pi + NAD⁺ ® 1,3 BPG + NADH + H⁺

Konversi aldehida menjadi asil fosfat melibatkan oksidasi dan fosforilasi. Oksidasi memerlukan pengeluaran ion hidrida (:H^-), yang merupakan inti hidrogen dan dua elektron. Pengeluaran ion hidrida dari aldehida secara energetika mahal karena gugus karbonil bersifat dipolar: atom karbon gugus karbonil sebagian sudah mempunyai muatan positif. Pengeluaran ion hidrida menjadi sangat mudah dengan membuat muatan positif atom karbon berkurang. Ini dilakukan dengan penambahan nukleofil.

Ion hidrida dengan mudah dapat meninggalkan senyawa tambahan karena atom karbon tidak lagi membawa muatan positif yang besar. Lagi pula, sejumlah energi bebas oksidasi disimpan di dalam zat antara asil. Penambahan ortofosfat pada zat antara asil ini menghasilkan asil fosfat, yang mempunyai potensi transfer gugus yang tinggi.

Nukleofil X- adalah gugus sulfihidril residu sistein pada situs aktif. Substrat aldehida bereaksi dengan bentuk terionisasi gugus sulfihidril ini membentuk hemitioasetal. Langkah berikutnya adalah transfer ion hidrida ke molekul NAD⁺ yang terikat kuat pada enzim. Produk reaksi ini adalah koenzim tereduksi NADH dan suatu tioster. Tioster ini adalah zat antara kaya energi, sama dengan zat antara asilyang disebut lebih awal. NADH berdisosiasi dari enzim, dan  satu NAD⁺ lain berikatan dengan situs aktif. Ortofosfat kemudian menyerang tioster membentuk 1,3-BPG, donor fosforil potensi – tinggi.

Aspek yang amat penting tentang pembentukan 1,3-BPG dari gliseraldehida 3- fosfat adalah bahwa reaksi termodinamika yang tidak menguntungkan, yaitu pembentukan asil fosfat dari karboksilat, dapat berjalan karena reaksi termodinamika yang menguntungkan, yaitu oksidasi aldehida.

Dua reaksi ini dirangkaikan oleh zat antara tioster, yang akan menyimpan banyak energi bebas yang dilepaskan pada reaksi oksidasi. Kita melihat disini penggunaan zat antara yang terikat pada enzim secara kovalen sebagai mekanisme perangkaian energi.

ARSENAT, SUATU ANALOG FOSFAT, BERSIFAT RACUN KARENA MEMISAHKAN OKSIDASI DARI FOSFORILASI

Struktur dan reaktivitas arsenat (AsO₄^3-) sangat mirip Pi. Pada reaksi yang dikatalisis oleh gliseraldehida 3- fosfat gliseraldehida, arsenat dapat menggantikan fosfat pada penyerangan terhadap zat antara tioster kaya – energi. Produk reaksi ini, 1- arseno – 3 – fosfogliserat, tidak stabil, sangat berbeda dengan 1,3 – bifosfogliserat. 1 – arseno – 3 – fosfogliserat dan asil arsenat lainnya dihidrolisis dengan cepat dan spontan. Karenanya, seluruh reaksi dengan adanya arsenat adalah

gliseraldehida 3- fosfat + NAD⁺  + H₂O ® 3-fosfogliserat + NADH  + 2H⁺

Perhatikan bahwa glikolisis dapat berlangsung dengan adanya adanya arsenat tetapi tidak menghasilkan ATP yang biasanya terbentuk pada konversi 1,3 – bifosfogliserat menjadi 3 – fosfogliserat. Jadi, arsenat memisahkan oksidasi dari fosforilasi dengan membentuk asil arsenat yang sangat labil. Arsen adalah racun kuat karena arsenat biasanya mengsubstitusi fosfat pada reaksi – reaksi transfer fosforil. Juga, arsenit (AsO₂^-) membentuk suatu kompleks dengan tiol. Mungkin satu alasan pemilihan fosfor atas arsen dalam evolusi biomolekul adalah stabilitas kinetik senyawa kaya- energinya yang lebih besar.

2,3- BIFOSFOGLISERAT, EFEKTOR, ALOSTERIK HEMOGLOBIN, BERASAL DARI 1,3-BIFOSFOGLISERAT

Kita telah melihat bahwa fruktosa 2-6 bifosfat, suatu molekul pengatur, berasal dari jalur ini adalah 2,3 – bifosfogliserat (2,3-BPG), pengontrol transpor oksigen dalam eritrosit. Sel darah merah mempunyai konsentrasi 2,3-BPG yang tinggi 4Mm, sangat berbeda dengan sebagian besar sel lainnya, yang mempunyai hanya sejumlah kecil. Sintesis dan degradasi 2,3-BPG adalah penyimpangan kecil dari jalur glikolisis(gambar 19-19).

Bifosfogliserat mutase mengkonversi 1,3-BPG menjadi 2,3-BPG. 2,3-BPG adalah inhibitor kompetitif yang kuat untuk pembentukan dirinya sendiri. Konsentrasi efektor alosterikini juga bergantung pada hidrolisisnya menjadi 3-fosfogliserat, reaksi yang dikatalisis oleh 2,3 – bifosfogliserat fosfatastesis. Sintesis dan degradasi 2,3-BPG keduanya hampir ireversibel.

Reaksi mutase mempunyai mekanisme yang menarik. 3-fosfogliserat adalah wajib untuk reaksi ini meskipun tidak kelihatan pada keseluruhan stoikiometri. Mutase mengikat 1,3-BPG dan 3-fosfogliserat secara serentak. Pada kompleks yang tersusun dari tiga bagian ini, gugus fosforil ditransfer dari posisi 1 pada 1,3-BPG ke posisi 2 pada 3-fosfogliserat.

2,3 BPG penting tidak hanya pada sel darah merah. Fosfogliserat mutase, enzim yang mengkatalisis interkonversi 3-fosfogliserat dan 2 fosfogliserat, memerlukan sejumlah katalitik 2,3-BPG untuk menjadi aktif. 2,3 BPG memfosforilasi residu histidin pada situs katalitik untuk mempertahankan bentukaktif enzi. Jadi, 2,3-bifosfogliserat memainkan peranan essensial pada metabolisme dasa. Kelihatannya mungkin bahwa 2,3 BPG sudah ada beribu – ribu tahun sebelum digunakan oleh sel darah merah untuk mengontrol afinitas hemoglobin.

ENOL FOSFAT ADALAH DONOR FOSFORIL YANG KUAT

Karena enol fosfat adalah suatu asil fosfat, 1,3-BPG mempunyai daya transfer gugus yang tinggi. Suatu senyawa fosfat berenergi-tinggi lain dihasilkan beberapa langkah kemudian pada glikolisis. Fosfoenolpiruvat, suatu enol fosfat, dibentuk oleh dehidrasi 2-fosfogliserat. AG⁰ hidrolisis ester fosfat alkohol biasa adalah -3 kkal/ mol, sedangkan dari fosfoenolpiruvat -14,8 kkal/ mol. Mengapa fosfoenolpiruvat mempunyai potensi transfer – gugus fosforil begitu tinggi?, jawabnya adalah bahwa enol yang terbentuk pada transfer gugus fosforil mengalami konversi menjadi keton – yaitu piruvat.

KELOMPOK TRANSPORTER MEMUNGKINKAN GLUKOSA KELUAR MASUK SEL BINATANG

Gerakan keluar masuk glukosa menembus membran plasma sel binatang secaratermodinamika diperantarai oleh sejumlah transporter glukosa. Anggota – anggota kelompok protein ini, yang diberi nama GLUT1 sampai 5, terdiri dari rantai polipeptida tunggal yang panjangnya lebih kurang 500 residu. Kesamaan strukturnya adalah kehadiran 12 segmen transmembran. Situs pengikat glukosa silih berganti menghadap sisi dalam dan sisi luar sel bila ditempati oleh gula; hal ini terlaksana oleh perubahan konformasi di dalam transporter dan bukan oleh rotasi keseluruhan protein itu.

Anggota – anggota kelompok ini memepunyai peran – peran tersendiri:

1.      GLUT1 dan 3, yang terdapat pada hampir semua sel mamalia, bertanggung jawab terhadap pengambilan glukosa basal. K_M nya untuk glukosa adalah sekitar 1Mm, sangat kurang daripada kadar glukosa serum normal yang biasanya merentang dari 4Mm sampai 8mM. Karenanya, GLUT 1 dan 3 dengan terus menerus mentranspor glukosa pada kecepatan yang pada dasarnya konstan.

2.      GLUT5, yang terdapat pada usus halus, bekerjasama dengan simporter Na⁺  - glukosa pada absorpsi glukosa dari usus. Simporter memompa glukosa ke dalam sel epitel usus. GLUT5 pada membran plasma pada sisi sel yang berlawanan kemudian melepaskan glukosa ke dalam aliran darah.

3.      GLUT2, yang terdapat pada hati dan sel β pankreas, sebaliknya mempunyai K_M sangat tinggi untuk glukosa (15 – 20 mM). Karenanya, kecepatan masuk glukosa kedalam jaringan - jaringan ini sebanding dengan kadar glukosa darah. Pankreas peka terhadap kadar glukosa dan menyesuaikan kecepatan sekresi insulin. K_M GLUT2 yang tinggi juga menjamin bahwa glukosa degan cepat masuk sel hati hanya pada waktu glukosa berlimpah. Bila kadar glukosa darah rendah, glukosa lebih cendrung masuk otak dan jaringan – jaringan lainnya karena transporter glukosanya mempunyai K_M yang lebih rendah daripadayang dalam hati.

4.      GLUT4, yang mempunyai K_M 5 mM, memperantarai pemasukan glukosa kedalam sel otot danj sel lemak. Insulin, yang menandai keadaan gizi/ makanan yang cukup, menyebabkan peningkatan cepat jumlah transporter GLUT4 dalam membran plasma. Karenanya, insulin mendorong pemasukan glukosa oleh jaringan ototdan lemak.

Kelompok transporter ini dengan gamblang menggambarkan bagaimana bentuk suatu protein dapat secara mendalam menentukan karakter metabolisme sel dan turut memungkinkan keanekaragaman serta kekhususan fungsinya.

KESIMPULAN

Glikolisis adalah rangkaian reaksi yang mengkonversi glukosa menjadi piruvat. Pada organisme aerob, glikolisis adalah pendahuluan daur asam  sitrat dan rantai transpor elektron, saat sebagian besar energi bebas glukosa dihasilkan. Sepuluh reaksi glikolisis terjadi dalam sitosol. Pada tahap pertama, glukosa dikonversi menjadi fruktosa 1, 6-bisfosfat melalui reaksi fosforilasi, isomerisasi, dan fosforilasi kedua. Dua molekul ATP dipakai per molekul glukosa pada reaksi – reaksi ini. Pada tahap kedua fruktosa 1, 6-bisfosfat dipecah oleh aldose membentuk dihidroksiaseton fosfat dan gliseraldehida 3- fosfat, yang dengan mudah mengalami interkonversi. Gliseraldehida 3 – fosfat kemudian mengalami oksidasi dan fosforilasi membentuk 1,3-bisfosfogliserat, suatu asil fosfat dengan potensi transfer fosforil yang tinggi, dibentuk melalui pergeseran fosforil dan dehidrasi. ATP lainnya dihasilkan sewaktu fosfoenolpiruvat dikonversi menjadi piruvat. Terdapat keuntungan bersih dua molekul ATP pada pembentukan dua molekul piruvat dari satu molekul glukosa.

Akseptor elektron pada oksidasi gliseraldehida 3-fosfat adalah NAD⁺ , yang harus dihasilkan kembali agar glikolisis dapat berlangsung terus. Pada organisme aerob, NADH yang terbentuk pada glikolisis mentransfer elektronnya ke O₂ melalui rantai transpor elektron, dan dengan demikian menghasilkan kembali NAD⁺ . Pada keadaan anaerob, NAD⁺ biasanya dihasilkan kembali oleh sintesis laktat atau etanol dari piruvate. Dua proses ini merupakan contoh fermentasi.

Jalur glikolisis mempunyai mempunyai peran ganda: degradasi glukosa untuk menghasilkan ATP, dan memberikan unit – unit penyusun untuk sintesis komonen – komponen sel. Kecepatan konversi glukosa menjadi piruvat diatur sesuai dengan dua keperluan utama sel ini. Pada keadaan fisiologis, reaksi – reaksi gliolisis dengan mudah reversibel kecuali reaksi – reaksi yang dikatalisis oleh heksokinase, fosfofruktokinase, dan piruvat kinase. Fosfofruktokinase, elemen pengontrol terpenting pada glikolisis, dihambat oleh kadar tinggi ATP dan sitrat, dan diaktifkan oleh AMP dan fruktosa 2,6-bisfosfat. Pada hati, bisfosfat ini menandakan bahwa glukosa berlimpah. Karenanya, fosfofruktokinase aktif bila diperlukan energi atau unit – unit penyusun. Heksokinase dihambat oleh glukosa 6-fosfat, yang berakumulasi bila fosfofruktokinase inaktif. Piruvat kinase, situs pengontrol lainnya, secara alosterik dihambat oleh ATP dan alanin, dan diaktifkan oleh fruktosa 1,6-bosfosfat. Akibatnya, piruvat kinase aktif maksimal bila muatan energi rendah dan zat – zat antara glikolisis menumpuk. Piruvat kinase, seperti enzim bifungsi yang mengontrol kadar fruktosa 2,6-bifosfat, diatur melalui fosforilasi. Kadar glukosa yang rendah dalam darah mendorong fosforilasi piruvat kinase hati, sehingga aktivitasnya menurun dan dengan demikian menurunkan pemakaian glukosa dalam hati.

Induksi penyesuaian mempertinggi efisiensi katalitik heksokinase dan triosafosfat isomerase dengan pencegahan reaksi sampingan yang tak diinginkan. Isonerase adalah contoh enzim dengan sifat katalitik sempurna yang dibatasi hanya oleh pertemuan enzim dan substrat yang dikontrol oleh difusi. Zat antara tioster menghemat sejumlah energi bebas oksidasi gliseraldehida 3-fosfat; serangan oleh Pi menghasilkan asil fosfat kaya – energi. Arsenat, analog fosfat, memisahkan rangkaian reaksi – reaksi oksidasi dari fosforilasi.

Pemasukan glukosa yang bersifat eksegonik kedalam sel – sel binatang diperantarai oleh kelompok transporter glukosa yang diberi nama GLUT1 sampai 5. Situs pengikat glukosa pada protein membran plasma ini, bila ditempati, silih berganti menghadap sisi dalam dan sisi luar sel. Nilai k_M yang tidak sama dan pengaturan berbeda kelompok transporter ini menentukan ciri metabolisme sel pada organ – organ yang berbeda.